JP5670749B2 - メソポーラス材料を製造する方法、それにより製造された材料及びメソポーラス材料の使用 - Google Patents

メソポーラス材料を製造する方法、それにより製造された材料及びメソポーラス材料の使用 Download PDF

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Description

本発明は、キラル形態を有するメソポーラス材料(mesoporous material)及び局所キラリティー又は表面キラリティーを有するメソポーラス材料を含むメソポーラス構造体を製造するための新たな合成組成物に関する。本方法は、例えば葉酸及び蛍光物質の送達用の制御薬物送達デバイスを製造するために用いることができる。
ナノスケールの寸法を有する高表面積材料は、活性部位により媒介される化学反応が重要な役割を演じる用途、例えば高い費用対効果で高収率を達成するためには反応物質と触媒との間に高接触面積が必要な触媒用途で、特に興味が持たれている。よって、全サイズ範囲で、すなわちマイクロスケール(２nm未満)、メソスケール(２〜50nm)及びマクロスケール(50nmを超える)で制御されたテクスチャ(有孔性及び形態)特性を有する増大した比表面積を示すナノスケールの多孔性材料の製造に大きな関心が存在する。多孔性材料の例は、結晶性ゼオライトのような周知材料である。
多孔性材料の分野において、表面積の向上は、例えば、クロマトグラフィーカラムのようなタンパク質分離デバイスにおいて、吸着速度を速めることができる。孔サイズの制御は、触媒反応における或る生成物について選択性を高めることができる。粒子サイズ又は粒子形状の制御は、触媒担体の機械的安定性も向上させることができる。規則性非晶質シリカ構造の合成メソポーラス材料の発見により、このような向上した特性を有する構造体を作製することが可能になった。メソポーラス材料とは、一般には、メソスケール(1.5〜50nm)にシャープな孔サイズ分布を示す、シリカ又は他の金属酸化物組成の材料をいう。
本方法は、米国特許第5,098,684号に記載されるように、制御条件下で規則性ミセル系を形成する両親媒性界面活性分子の自己集合作用に基づく。この界面活性剤ミセルを、本明細書において、孔鋳型又は鋳型(template)という。界面活性剤は、ミセル構造を形成できる極性基及び非極性基を有する分子である。ミセル種の周囲で適切なシリカ前駆体を凝縮させることにより、電荷整合(charge matching)相互作用により安定なハイブリッド有機シリカ複合材料が得られる。この材料は、界面活性剤鋳型の回収を可能にする溶媒抽出のような経路も用いられるが、典型的には焼結により、メソポーラスにされる。これらの製造経路において、界面活性剤が臨界ミセル濃度(CMC)を超えていることは必須要件でない。しかし、規則性構造を有するためには、合成プロセスの間のある時点、典型的にはシリケート前駆体の加水分解及び凝縮の間にミセルが形成されなければならない。
ミセルは、界面活性剤の濃度がCMCよりも大きく、溶液の温度がいわゆるクラフト温度を超えたときにのみ形成され得る。熱力学的に、ミセルは、エントロピーとエンタルピーとの間の相互作用の結果として自発的に形成される。水中では、非極性基から生じる疎水性効果がミセル形成の駆動力である。概して、CMCを超えると、界面活性剤分子が集合することのエントロピー的不利益が、水分子と界面活性剤単量体とを「混合」することのエントロピー的不利益よりも小さい。別の駆動力は、エンタルピー、例えば界面活性剤の極性部分(典型的には頭部として知られる)同士の間で生じる静電相互作用である。
多くの研究が、規則性メソポーラス材料(ordered mesoporous material)の合成制御、構造制御、形態制御及び組成の制御に焦点を当ててきた。
米国特許第5102643号に記載のような無機メソポーラス材料の製造は、自己集合性両親媒性界面活性剤を鋳型として用いる無機単量体の重合を含む。AU2006231725は、メソポーラス材料の代替の合成について記載している。しかし、この方法は、両親媒性界面活性剤を鋳型として用いる。Yu Min Sunら及びその参考文献は、メソポーラスシリカの製造について記載しているが、これもまた、界面活性剤鋳型の使用が規則性の孔の形成要件である。KR20070024550は、キラル界面活性鋳型を用いてキラル形態を有するメソポーラスシリカを合成することについて記載している。AU2006231725は、メソポーラス材料の代替の合成について記載している。しかし、この方法は、両親媒性界面活性剤を鋳型として用いる。
最近ようやく、キラル形態を有するメソポーラス材料の形成が報告された。Cheら[Nature, 2004]は、キラル形態を有する六方メソ相の合成に、キラルネマチックN-ラウロイル-アミノ酸界面活性剤及び共構造指向剤(co-structure directing agent：CSDA)を用いた。CSDAの役割は、電荷整合により、有機ミセル集合体と無機シリカ前駆体との間の相互作用を促進することである。この製造経路により、その後、ほぼエナンチオピュアな形態が得られているが、キラル分離及び関連する応用は、孔の幾何学的配置(geometry)及び孔の表面にキラリティーがないことにより、効率的に達成されていない。
ラセミ混合物、すなわち光学異性体の混合物の分離を可能にする多孔性材料を提供することが強く望まれている。例えば、前立腺ガンの治療に使用される経口非ステロイド性抗アンドロゲンである薬剤ビカルタミドは、エナンチオピュアな形態(R-ビカルタミド)で投与されると、アンドロゲン受容体に対する亢進した活性を示す。このようなキラル分子を分離する効率的な方法、又はキラル触媒を用いてエナンチオピュアな化合物を合成する効率的な方法を開発することは、商業的関心が高い。
メソポーラス材料は、非常に研究されており、種々の他の適用に用いられている。バイオテクノロジー及び製薬の領域において、高表面積と制御された孔の幾何学的配置(geometry)との組合せが、そうでなければ複雑で、しばしば非効率的で高価な賦形剤を必要とする活性薬剤物質の送達に利用できるが。多孔性構造からの制御薬物放出は、薬剤投与の観点から治療的結果を達成するために必要な投与の回数及び頻度を減少させることができ、処方された服薬計画の患者による順守の問題を解決し得る。加えて、メソポーラス材料は、溶けにくい薬剤の溶解性を亢進させるために、この産業において可能性のある用途を有する。
脂溶性抗ガン剤の溶解性は、摂取及び処方の観点の両方から大きな問題である。
別の適用において、メソポーラス材料の孔中への酵素のカプセル化により、触媒の回収及び精製が多孔性マトリクスの存在により補助される「不均一」酵素触媒が実現される。
診断薬では、メソポーラス材料は、孔の内部容積に、例えばポルフィリンファミリーの分子、フルオレセインイソチオシアネート及び誘導体、又はAlexa型蛍光分子のような蛍光分子が装填(load)され得ることにより、免疫蛍光及び免疫組織化学用の蛍光体として利用することに成功している。これは、メソポーラス材料の内壁に、静電的又は共有的に結合して、多孔性構造からの滲出を防止される。メソポーラス材料の粒子外表面は、適切な官能基の導入により、生物学的コンジュゲートを支持できる。
更に、異なるストークスシフトを有する蛍光体装填粒子の使用により、複数のシグナル／コンジュゲーションを容易に検出できる。これら材料は、メソポーラスシリカ粒子の高装填能の結果として、高感度な多機能性検出デバイスを提供する。
メソポーラス材料はまた、水脱塩工場における適用(ポリマー膜との組み合わせではあるが)について、及び例えばNOxからの排気ガス及び触媒反応からの他の有害廃棄生成物の精製における、官能化表面と孔の幾何学的配置との組合せが特定のガスに対する選択性を提供するガス分離デバイスとして、研究されている。
葉酸を含むメソポーラス材料は、葉酸及び他のビタミンＢ誘導体を送達するための食餌サプリメントとして用いることができる。葉酸は、神経管欠損(NTD)の予防のような医薬品における多くの用途を有している。葉酸及び他のビタミンＢは、体内でホモシステインの分解を助ける。血中ホモシステインレベルは、食餌及び遺伝因子により大きく影響される。食餌の葉酸並びにビタミンB-6及びB-12が最大効果を有する。いくつかの研究により、より高い血中ビタミンＢレベルが、少なくとも一部、より低いホモシステイン濃度に関連していることが見出されている。より低い血中葉酸レベルが、より高い致死性冠動脈心疾患及び卒中リスクに関連していることを示す他の証拠もある。
葉酸及び誘導体は、結腸直腸ガン、すい臓ガン及び閉経後乳ガンのようなある種のガンタイプの減少に関連付けられている。
葉酸取込機構は、卵巣、脳、腎臓、乳房及び肺の悪性腫瘍を含む多くのヒトガンにおいてアップレギュレートされる。葉酸受容体は、葉酸に対して高い親和性を有し、これが治療剤の葉酸装填量が低くても、アップレギュレートされた細胞による高い取り込みをもたらす。これら特徴のため、葉酸コンジュゲーションは、腫瘍細胞による選択的取り込みのためにリポソーム、プラスミド複合体、ナノ粒子、ポリマーミセル及び他のポリマー構築物を標的化するストラテジーとして広く用いられるようになっている。葉酸は、受容体媒介エンドサイトーシス又はキャリアベースの取込機構のいずれかにより細胞中に内在化されるに違いない。
シリカ以外の組成を有する金属酸化物メソポーラス材料(種々のナノ粒子を含み得る)は、触媒若しくは触媒担体、ガスの捕捉、水の精製、光電流交換、色素増感太陽電池における光電陰極、分子光電デバイス又は組合せでの遺伝子修復のような適用において広範囲な用途の可能性を有する。
本発明の目的は、非両親媒性で非界面活性剤の鋳型を含む方法により、規則性メソポーラス材料を製造する方法を発明することである。
本発明の別の目的は、非両親媒性で非界面活性剤の鋳型である方法により孔の内表面に結合した官能基を有する規則性メソポーラス材料を製造する方法を発明することである。
本発明の別の目的は、キラル形態及びキラル多孔性表面を含む種々の形態を有し得る規則性メソポーラス材料を製造する方法を発明することである。
本発明の別の目的は、光学異性体を分離できる規則性メソポーラス材料を製造する方法を発明することである。
別の目的は、本発明に従って製造されたメソポーラス材料を、葉酸又は葉酸により担持される分子を含む蛍光粒子に用いることである。
別の目的は、本発明に従って製造されたメソポーラス材料を、薬物の制御送達、特に葉酸又は葉酸により担持される分子の制御送達に用いることである。
本発明の目的は、請求項１及び２に記載される方法により達成される。
本発明は、メソポーラス材料の製造を可能にし、このメソポーラス材料は鋳型が材料の一部に残っている形態、及び鋳型が除去された形態の両方で適用され得る。
本発明は、Ｈ供与基及びＨ受容基を介して種々の有機分子により形成される、フーグスティーン結合型の四分子(tetrad)、五量体及び他の超分子構造体を形成することができる有機分子の使用に基づく。このような分子は、自己組織化を誘導して、円柱状及び六方晶状メソ相を形成でき、このメソ相が、次いで、有機鋳型及び無機酸化物前駆体と相互作用して電荷整合を達成できる基である共構造指向剤により補助されるか又はされない無機酸化物前駆体の加水分解及び凝縮のための有機鋳型として作用できる。
無機前駆体は、１つ以上の金属酸化物前駆体、例えばSi、Al、Ti、Ni、Cu、Zr、Co、Fe、Ru又はRhの酸化物前駆体であり得る。
本発明の目的のための共構造指向剤は、典型的には、種々の長さを有してもよく、更にアルコキシシラン(又はチタネート、ジルコネートなど)に結合しているアルキルスペーサー(プロピル、ブチル、ペンチルなど)に結合したアミン部分のような塩基性基から構成される。
CSDAは、それ自体で又は異なるCSDAとの混合物として用いることができる。CSDAは、例えばアルコキシシランとして知られる群からの１つのCSDAと、アルコキシチタネートの群からの１つとの組成の混合物から構成されてもよい。CSDAは、孔形成鋳型と共有的又は静電的のいずれかで相互作用できなければならない。CSDAは、無機酸化物前駆体と相互作用できなければならない。
本発明は、非界面活性剤鋳型である葉酸及び／又はプテリン若しくは類似の基(例えばグアノシン及び誘導体)を含有する誘導体の使用に基づいて、キラル形態及びキラル表面を有し、シャープな孔サイズ分布を有する規則性メソポーラス材料を製造する単純な方法を発明する。
本発明は、多量の葉酸及び／又は誘導体が１つの直接合成段階でメソポーラス材料の孔内部表面に取り込まれ得る、該分子を有するメソポーラスシリカナノ粒子の製造を可能にする。更に、生成される形態の型には、種々の直径を有するファイバー又はロッド及び球状粒子の形のキラル形態を含み得る。
反応混合物は、押出、浸漬コーティング、スピンコーティング又は噴霧乾燥され得る。
(ａ)(ｂ)葉酸におけるプテリン基の自己集合。(ｃ)FAのグルタメート基が、工程Ｂにおいて、フーグスティーン型相互作用とπ-π型スタッキングとの組合せにより、当該化学物質によって複製されるキラル構造にどのように配置されるかを示す。 本発明に従ういくつかの典型的な新規組成物を示す。 請求項１〜10に概説される条件下で製造される材料の低角XRDパターンを示す。 鋳型のスタックの規則性配置に起因する、混合鋳型組成物を用いたサンプルの高角Ｘ線回折ピークを示す。 下記方法で工程Ｄ後に得られる材料についてのTGA/DTG曲線を示す。 ASAP2020測微装置で記録した窒素吸着-脱着等温線を示す。 図２に記載される合成組成物１〜５から得られた粒子形態を示す走査型電子顕微鏡画像を示す。 請求項１に従って製造された合成時の材料の透過型電子顕微鏡画像を示す。 pH=８の水中での葉酸の円偏光二色性(CD)及び吸収スペクトル(黒)、並びに、室温にて0.5重量％の濃度で記録した、下記方法で製造した合成時のメソポーラス組成物の固体スペクトルを示す。 60℃で１〜３日間(工程Ｃ)、１〜３日間100℃の熱水処理(工程Ｄ)で製造した図２に記載される組成の合成時のメソポーラス材料の蛍光スペクトルを示す。 (ａ)のグラフは、ビカルタミドのラセミ混合物及び純粋なエナンチオマーR-ビカルタミドのメタノール溶液の円偏光二色性(CD)スペクトルを示す。(ｂ)のグラフは、請求項２〜７に記載されるキラルメソポーラス材料(青線)の特定の量をビカルタミドのラセミ混合物と混合することにより得られるメタノール溶液の円偏光二色性(CD)スペクトルを示す。
本発明は、非界面活性剤非ミセルの鋳型を用いる規則性メソポーラス材料の形成を具現化する。
本発明は、官能基が内表面に結合し、十分に規定された形態を有する高規則性メソ孔(highly ordered mesopore)を有する規則性メソポーラス構造を製造する単純な方法を含む。
本発明は、アニオン性界面活性剤、カチオン性界面活性剤、双イオン性界面活性剤若しくはポリマー性界面活性剤又は他のいずれのタイプの界面活性剤分子を含む群の両親媒性分子の非存在下で、規則性メソポーラス材料を製造する単純な方法を含む。
加えて、メソポーラスシリカナノ粒子に葉酸及び誘導体物質を装填する方法は、最大量の前記分子を１つの直接合成段階でメソポーラス粒子の孔内部表面に組み込むことができる発明である。更に、製造される形態の型は制御でき、キラル形態の形成は合成成分の１つの変化から生じる。
製造される新規材料は、向上した葉酸送達特性、光学的特性及びキラル分離特性を示す。
本発明により、最大可能装填量の葉酸を有する送達ビヒクルが１つの合成段階で製造されるので、先ずメソポーラス材料を製造し、孔鋳型をか焼又は抽出し、次いで葉酸含有物を装填する必要がない。
更に、１つの合成段階で、活性薬剤候補又は蛍光体のような他の機能分子を、葉酸孔鋳型とともに装填することが可能である。これは、葉酸がπ-π型スタッキング相互作用(stacking interaction)を介してそれ自体及び他の分子と相互作用する能力に起因して可能になる。よって、π-π相互作用を介して葉酸(又は誘導体)と相互作用できるいずれの薬剤も自己集合に参加し得、それ自体が鋳型として作用し得る。前記π-π相互作用は、本明細書では、π共役系におけるｐ軌道の分子間重複により相互作用する芳香族分子の積み重なった配置(stacked arrangement)をいう。
葉酸の放出プロフィール及び下記の様式で合成に組み込まれる任意の薬剤物質の放出プロフィールは、無機多孔性マトリクスにより付与される拡散制限の結果として、著しく減少する。
本発明は、Ｈ供与基及びＨ受容基を介して種々の有機分子により形成される、フーグスティーン結合型の四分子、五量体及び他の超分子構造体を形成することができる有機分子の使用に基づく。このような分子は、自己組織化を誘導して、円柱状及び六方晶状メソ相を形成でき、このメソ相が、次いで、有機鋳型及び無機酸化物前駆体と相互作用して電荷整合を達成できる基である共構造指向剤により補助されるか又はされない無機酸化物前駆体の加水分解及び凝縮のための有機鋳型として作用できる。
葉酸がこのような有機鋳型分子の一例であるが、プテリン、カルボキシプテリン、2,4-ジアミノ-5-ブロモメチルピリミジン、N-4-[[(2-メチル-4-アミノ-5-ピリミジル)メチル]アミノ-ベンゾイル]-L-グルタミン酸、グアノシン一リン酸、N-4-[[(2,6-ジアミノ-4-ヒドロキシ-5-ピリミジル)メチル]アミノ-ベンゾイル]-L-グルタミン酸、5'-tert-ブチル-ジメチルシリル-2',3'-ジ-Oイソプロピリデン、グアノシンの誘導体などのような他の葉酸誘導体も、それらが水素結合及びπ-πスタッキング相互作用を介して四量体又はより大きな超分子構造体を形成することができる基を含有することを条件に、使用し得る。
葉酸は、p-アミノ安息香酸を介してL-グルタメート部分にコンジュゲートした、グアニンと化学的及び構造的に類似するプテリン基から構成される(図１)。葉酸のL-グルタメート基は、8.3のpKa値を有するので、前記pH値を超えると脱プロトン化し負に荷電する。
本発明に適切であり得る共構造指向剤の例として、例えば3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-(トリメトキシシリル)プロピルメタクリレート、(3-グリシジルオキシプロピル)トリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、[1-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピル]トリメトキシシラン、1-[3-(トリメトキシシリル)-プロピル]ジエチレントリアミン、N-(2-アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-トリメトキシシランプロピル-N,N,N-トリメチルアンモニウムクロリド、3-[2-(2-アミノエチルアミノ)エチルアミノ]プロピルトリメトキシシラン、ウレイドプロピルトリメトキシシラン、3-イソシアナトプロピルトリエトキシシラン、3-シアノプロピルトリエトキシシラン及びアリルトリメトキシシランのような、アルコキシシラン、アルコキシチタネート、アルコキシジルコネートとして知られる群が挙げられる。
CSDAは、それ自体で又は異なるCSDAとの混合物として用いることができる。CSDAは、例えばアルコキシシランとして知られる群からの１つのCSDAと、アルコキシチタネートの群からの１つとの組成の混合物から構成されてもよい。CSDAは、孔形成鋳型と共有的又は静電的のいずれかで相互作用できなければならず、そしてCSDAは、無機酸化物前駆体と相互作用できなければならない。このことは、規則性メソポーラス材料を形成する場合の要件であり、CSDAの使用を制限する。
テトラエチルオルトシリケート及びテトラメチルオルトシリケートは、規則性メソポーラス材料の形成に適切な無機酸化物前駆体の例であるが、他のものとしては、チタン(IV)エトキシド、チタン(IV)ブトキシド、チタン(IV)イソプロポキシド、チタン(IV)(トリエタノールアミナト)イソプロポキシド溶液、アルミニウムイソプロポキシドが挙げられ得る。加えて、金属塩のような非アルコキシド無機酸化物供給源も、それらが共構造指向剤と相互作用することを条件に、使用し得る。
メソポーラス材料の製造の例は、以下の工程を含む：
(Ａ)鋳型を、他の孔形成剤と共に又は該孔形成剤なしで、少なくとも１つの金属酸化物前駆体(工程Ｃを参照)の加水分解を促進する媒体に溶解する工程。
(Ｂ)フーグスティーン型相互作用を介して鋳型中のプテリン基を集合させる主たる役割及び一方で鋳型の酸部分と、他方で凝縮性金属酸化物前駆体と相互作用する副次的役割を有する添加剤化学物質を溶解することを含む工程。
(Ｃ)前記溶液を、少なくとも１つの金属酸化物前駆体と混合する工程。
(Ｄ)前記混合物を、前記金属酸化物前駆体の加水分解及び凝縮が生じ得る条件下で、例えばゾル-ゲル法により、固化する工程。
(Ｅ)前記溶液の少なくとも一部を、溶媒抽出及び／又は蒸発乾燥及び／又はか焼により除去して、多孔性材料を形成する随意工程。
工程Ａ
鋳型分子の溶解は、水性条件下で行うことができるが、非水性溶媒を除外しない。鋳型分子 対 水のモル比は、葉酸の使用を例とすると(FA:H2O)、0.1:１から0.001:１まで変わり得るが、より良好な構造秩序(structural order)は、0.0015:１〜0.003:１の間の範囲で達成される。混合物は、４℃〜100℃の間の温度で撹拌され、このことにより孔形成鋳型が適切な時間で均質に混合される。
この段階で、界面活性剤若しくは形態制御剤若しくはアミノ酸のような孔拡張剤又はこれらの混合物のような他の共鋳型を加え得るが、これらは規則性多孔性材料を達成するため又は形態を制御するために必須ではない。
アルカリ化合物(例えば水酸化ナトリウム)のような鉱化剤又はpHを低下させ得る化合物を加えてもよいが、このことは規則性多孔性材料を形成するために必須ではない。規則性メソポーラス構造を形成するための最適pHは、６〜13の間であり、好ましくは８〜10の間である。pHは、鋳型、CSDA及び無機酸化物前駆体の選択に依存して変わり得る。
鋳型の混合物も用い得る。例えば、共にコレステリック相及び六方相を形成するための相互作用を形成することができる、葉酸とデオキシグアノシン-5'-１リン酸との混合物を使用し得る。
葉酸と相互作用し得る分子又は活性医薬生成物若しくは蛍光体のような鋳型により担持される分子をこの段階で加えてもよい。
鋳型による四量体の形成を安定化する無機塩(例えばカリウム塩)をこの段階で加えてもよいが、規則性メソポーラス材料を形成するために必須ではない。
工程Ｂ
工程Ｂは、１つ以上の化学物質を前記溶液に加えることを含む。化学物質はまた、鋳型内でプテリン又は類似する基同士間のフーグスティーン型相互作用の形成を、pHの変動により促進し得るか又はもたらし得る(図１を参照)。このような分子の例は、アミノプロピルトリエトキシシラン、APESである。比APES:FAは、0.02:１から１:１まで変わり得るが、最適な材料は、0.2:１〜0.8:１の間で変わる比で達成される。この混合物は、４℃〜100℃の間の温度で撹拌され、このことにより、物質が適切な時間で均質に混合される。この段階で加えるAPESの量は、最終生成物の形態、並びに工程Ｃ及びＤで加える無機酸化物前駆体の加水分解及び凝縮の速度に対して直接的な効果を有し得る。
工程Ｃ
前記溶液を、少なくとも１つの金属酸化物前駆体と混合する。適切な金属酸化物前駆体は、シリカ、アルミナ、チタン、ニッケル、銅、コバルト、鉄、ニッケル、ルテニウム及びロジウムのいずれの酸化物からも形成され得る。ケイ素アルコキシドであるテトラエチルオルトシリケート(TEOS)は、本件で、特に好ましい。本工程でTEOSを用いる場合、TEOS:H2O比は、好ましくは１:100〜１:400の間である。TEOSは、激しい撹拌下で、４℃〜100℃の間で変わってもよい温度にて溶液に加えられ、均質化するためこの条件下に少なくとも10分間維持する。
工程Ｄ
前記混合物の固化はゾル-ゲル転移により行うことができる。その条件は、無機酸化物前駆体のゾル-ゲル転移を誘導するように選択されなければならない。このことは、ゾル-ゲル転移が生じるまでに、反応している(加水分解及び凝縮工程)無機酸化物前駆体に加えられる、溶液１グラム当たり及び単位時間当たりの熱エネルギーの量を制御することにより行うことができる。最初の３時間に溶液に加えられるエネルギーの量は、１分当たり及び溶液１グラム当たり0.1〜10ジュールの間、好ましくは１分当たり及び溶液１グラム当たり0.5〜３ジュールの間である。これは、溶液を、適切な密閉容器中で、40〜120℃の間、好ましくは60〜80℃の間の温度にて少なくとも６時間(10日間程度であり得る)、維持することにより行うことができる。温度は、容器の熱伝導性及び反応溶液の量に従って選択されなければならない。容器及び溶液が周囲より低い温度である場合、周囲からの熱は伝導によって容器及び溶液に転移する。凝縮を促進するため、熱水処理も必要であるかもしれない。これは、60〜100℃の間の温度にて、５時間〜５日間行われる。葉酸を用いる場合の好ましい温度は、より高い温度では孔鋳型が分解するので、80℃である。熱水処理は、規則性メソポーラス材料を形成するために必須ではない。熱水工程の時間は、より高い温度を用いる場合は減らしてよい。
固化プロセスが終了した後、製造された材料を単純なろ過により回収してよい。
或いは、工程Ｄは、噴霧乾燥装置又は浸漬コーティング装置又はスピンコーティング装置を用いて行ってよい。このことは、エタノールのような有機溶媒を工程Ａの間に加える場合に特に有用である。
工程Ｅ
この工程は、孔構造を損傷又は崩壊させることなく孔から溶媒及び有機化合物を除去する方法に関する。この工程により、工程Ｂに記載された化学物質(他ではCSDAとして知られる)に対応する官能化表面を有する多孔性材料の、溶媒抽出(E1)による製造が可能になる。よって、工程ＢでAPESを用いる場合、溶媒抽出後の規則性多孔性材料の内表面は、アミノプロピル基を含有する。これらアミノプロピル基のモル濃度は、鋳型-化学物質の比(例えばFA:APES)に依存する。
有機鋳型を除去する代替方法は、空気又はO2/N2ガスの気流中で、規則性の多孔性粒子を550℃にてか焼することである(E2)。
この系により製造されるキラルなメソポーラス材料は、プテリン基及びその誘導体の固有のキラル組織化に起因して、粒子形状で及び孔システムで、そして孔内表面でもキラル特徴を示す。
更に、アミノプロピル基(工程ＢでAPESが用いられる場合)は、鋳型のグルタメート基と静電的に相互作用し、この鋳型はキラルであるので、E1後のアミノプロピル基は、孔の方向に関してキラルな配置を有する。このことを、本明細書において局所キラリティーという。このようなキラル官能基のエナンチオマー純度は、工程Ａで用いられる鋳型のエナンチオマー純度に依存する。
工程Ｄ後に製造される材料は、鋳型(例えばFA)又は活性医薬生成物若しくは蛍光体のような添加物が活性物質である適用では、工程Ｅなしで用いることができる。この物質は、工程E1又はE2を経ない場合、最終生成物中に残る。
図面の説明
図１
本明細書に記載される本発明の工程Ｂで化学物質の添加により促進される葉酸(ａ、ｂ)におけるプテリン基の自己集合。図(ｃ)は、FAのグルタメート基が、工程Ｂにおいて、フーグスティーン型相互作用とπ-π型スタッキングとの組合せにより、当該化学物質によって複製されるキラル構造にどのように配置されるかを示す。
図２
本発明に従ういくつかの典型的な新規組成物を表に記載する。
図３
請求項１〜10に概説される条件下で製造される材料の低角XRDパターン。例は、六方晶系単位格子に基づいて指数を付し得る典型的なXRDピークを有するメソスケール秩序を明確に示している。
図４
鋳型のスタック(stack)の規則性配置に起因する、混合鋳型組成物を用いたサンプルの高角Ｘ線回折ピーク。無機酸化物の壁に対応する２θ＝20〜25°の間で観察される幅広のピークと混同されるべきでない、スタックの配置に起因する少なくとも１つのピークが観察された。
図５
上記方法で工程Ｄ後に得られる材料についてのTGA/DTG曲線。３つの別々の分解重量損失領域が観察できる。領域Ｉ(150〜250℃)は、APESの加水分解から導かれる自由にグラフトしたか又は表面に結合したオルガノアルコキシシラン基の分解に関連する。領域II(250〜450℃)は、内表面に位置するオルガノアルコキシシラン及び葉酸のグルタメート成分の重複する分解に関連させ得る。領域III(450〜8000C)は、プテリン及びp-アミノ安息香酸の分解を印す。一般に、これら値は、遊離葉酸の分解について以前に報告されたものより高い温度にて生じる。抽出サンプルのTGA/DTG曲線から算出した葉酸の超分子集合に酸化しているAPESの量は、10.40重量％であり、合成条件により30重量％程度にまで多く変わり得る。よって、合成時の(as-synthesized)メソポーラス材料中のFA鋳型の総重量パーセンテージは、27.53重量％と算出され、合成条件及び出発反応組成に応じて60重量％程度まで高くまで変わり得る。TGA/DTGデータは、プテリン含有基の鋳型化作用(templating action)の証拠である。
図６
ASAP2020測微装置で記録した窒素吸着-脱着等温線。(ａ)か焼したサンプル及び溶媒抽出したサンプルで記録された窒素等温線は、抽出サンプルには存在しない小さいメソポーラス材料の典型的なプロフィールを示す。(ｂ)シャープな孔サイズ分布を示す、抽出した新規メソポーラス酸化物材料(丸)及びか焼した新規なメソポーラス酸化物材料(四角)についての孔サイズ分布。
図７
図２に記載される合成組成物１〜５から得られた粒子形態を示す走査型電子顕微鏡画像。キラルモチーフを示すロッド型粒子が明確に見られる。これら粒子においてキラルねじれ(chiral twist)のピッチは一定でないが、キラルモチーフの方向は用いた鋳型によって固定されている。
他の形態としては、スフェア、ファイバー及びジャイロイド粒子(gyroid particles)が挙げられる。ファイバー及びロッド粒子は、合成条件に依存して、長さが100nmから数cmまで変わる。
図８
請求項１に従って製造された合成時の材料の透過型電子顕微鏡画像。メソ孔の六方晶系秩序が画像において直接観察できるが、電子回折からも推測される(ａ)。(ｂ)の画像は、電子線に垂直な円柱状の孔の配置を示す。
図９
pH=８の水中での葉酸の円偏光二色性(CD)及び吸収スペクトル(黒)、並びに、室温にて0.5重量％の濃度で記録した、上記方法で製造した合成時のメソポーラス組成物の固体スペクトル。固体サンプルのCDスペクトルは、およそ300nmで最大の幅広の正ピークを特徴とする。これは、この条件で溶液の葉酸の予測最大値(280nm)からのピークシフトを構成する。ピークの形状から、合成時のサンプルが、葉酸鋳型からのキラルインプリントを保持していると結論付けることができる。
最大値が280から290nmに実際にシフトした吸収スペクトル(曲線は、比較が容易なようにｙ軸でスケールを変えた)。この最大ピークのシフトは、メソポーラス組成物の孔内部空間への葉酸の組み込み及び合成時の材料内でのグルタメート部分と官能化された壁との相互作用の更なる証拠である。
図10
60℃で１〜３日間(工程Ｃ)、１〜３日間100℃の熱水処理(工程Ｄ)で製造した図２に記載される組成の合成時のメソポーラス材料の蛍光スペクトル。葉酸と5,10,15,20-テトラキス(4-カルボキシフェニル)ポルフィリンとの組合せの使用を含む組成物のスペクトルも、工程Ａに記載される有機鋳型とπ-π相互作用により相互作用できる機能性分子の例として示す。
図11
(ａ)のグラフは、ビカルタミドのラセミ混合物及び純粋なエナンチオマーR-ビカルタミドのメタノール溶液の円偏光二色性(CD)スペクトルを示す。
(ｂ)のグラフは、請求項２〜７に記載されるキラルメソポーラス材料(青線)の特定の量をビカルタミドのラセミ混合物と混合することにより得られるメタノール溶液の円偏光二色性(CD)スペクトルを示す。観察される正スペクトルは、単一のエナンチオマーR-ビカルタミドに属する。よって、１つのエナンチオマーのみが、本発明に記載されるキラル材料の孔に吸着されると結論付けることができる。局所キラリティーの結果としての光学異性体のキラル分離のCDスペクトルが示されている。

Claims (38)

  1. 以下の工程：
    (Ａ)水素結合及びπ-π相互作用により形成されるフーグスティーン結合型超分子構造を形成する有機分子を含む鋳型を溶解して溶液を生成する工程；
    (Ｂ)前記鋳型中の分子基を集合させる主役割を有する添加物質を溶解する工程であって、該添加物質が共構造指向剤である工程；
    (Ｃ)前記溶液を、少なくとも１つの無機前駆体と混合する工程；及び
    (Ｄ)前記溶液を、前記無機前駆体の加水分解及び凝縮が起こり得るプロセスにより固化する工程
    により特徴付けられる、孔の内表面に結合した官能基を有する規則性メソポーラス材料を製造する方法。
  2. 以下の工程：
    (Ａ)水素結合及びπ-π相互作用により形成されるフーグスティーン結合型超分子構造を形成する有機分子を含む鋳型を溶解して溶液を生成する工程；
    (Ｂ)前記鋳型中の分子基を集合させる主役割を有する添加物質を溶解する工程であって、該添加物質が共構造指向剤である工程；
    (Ｃ)前記溶液を、少なくとも１つの無機前駆体と混合する工程；
    (Ｄ)前記溶液を、前記無機前駆体の加水分解及び凝縮が起こり得るプロセスにより固化する工程；及び
    (Ｅ)前記鋳型の少なくとも一部を、溶媒抽出により除去して多孔性材料を生成する工程
    により特徴付けられる、キラル孔構造を含む規則性メソポーラス材料を製造する方法。
  3. 前記鋳型の有機分子が葉酸であることにより特徴付けられる請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記鋳型の有機分子が、１つ以上の葉酸誘導体を含むことにより特徴付けられる請求項１又は２に記載の方法。
  5. 前記鋳型の有機分子が、プテリン、カルボキシプテリン、2,4-ジアミノ-5-ブロモメチルピリミジン、N-4-[[(2-メチル-4-アミノ-5-ピリミジル)メチル]アミノ-ベンゾイル]-L-グルタミン酸、N-4-[[(2,6-ジアミノ-4-ヒドロキシ-5-ピリミジル)メチル]アミノ-ベンゾイル]-L-グルタミン酸、5'-tert-ブチル-ジメチルシリル-2',3'-ジ-O-イソプロピリデン又はグアノシン誘導体の１以上を含むことにより特徴付けられる請求項１又は２に記載の方法。
  6. 前記孔を形成する鋳型と共有的又は静電的に相互作用できる共構造指向剤を工程Ａで添加することにより特徴付けられる請求項１又は２に記載の方法。
  7. 前記共構造指向剤が、塩基性基と該塩基性基に結合したアルキルスペーサーとから構成され、該アルキルスペーサーが種々の長さであり得、かつ前記無機前駆体に結合することにより特徴付けられる請求項６に記載の方法。
  8. 前記塩基性基がアミン部分であることにより特徴付けられる請求項７に記載の方法。
  9. 前記無機前駆体が、Si、Al、Ti、Ni、Cu、Co、Fe、Ru及びRhの酸化物から選択される１つ以上の金属酸化物前駆体であることにより特徴付けられる請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 前記金属酸化物前駆体が、テトラエチルオルトシリケート、アルミニウムイソプロポキシド又はチタンブトキシドの１つ以上であることにより特徴付けられる請求項９に記載の方法。
  11. 前記金属酸化物前駆体が、シリカ前駆体を含み、シリカ前駆体 対 鋳型のモル比が１:0.001〜１:0.5の間にあることにより特徴付けられる請求項９に記載の方法。
  12. シリカ前駆体がTEOS又はTMOSであることにより特徴付けられる請求項１１に記載の方法。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に従って製造されるメソポーラス材料を含むことにより特徴付けられる制御薬物送達デバイス。
  14. 前記鋳型が蛍光体を含むことにより特徴付けられる請求項１及び請求項７〜１２のいずれか１項に従って製造されるメソポーラス材料。
  15. 前記蛍光体がポルフィリン型分子であり、450nmに最大ピークを有する蛍光スペクトル及び200nmより大きいストークスシフトを有することにより特徴付けられる請求項１４に記載のメソポーラス材料。
  16. 10〜70重量％の間の葉酸を孔中に含む最終組成を有することにより特徴付けられる請求項１〜２及び７〜１２のいずれか１項に従って製造されるメソポーラス材料。
  17. 請求項１〜１２のいずれか１項に従って製造されるメソポーラス材料を含むことにより特徴付けられる化粧品。
  18. 少なくとも10重量％のアミノプロピル官能基を孔内表面に含有する最終組成を有することにより特徴付けられる請求項１〜２のいずれか１項に従って製造されるメソポーラス材料。
  19. １〜10nmの間の範囲の孔を有する規則性孔構造を有することにより特徴付けられる請求項２に従って製造されるメソポーラス材料。
  20. 六方晶系配置の孔を含む請求項３〜６のいずれか１項に従って製造されるメソポーラス材料。
  21. 前記規則性孔構造が、二次元又は三次元的に接続した孔を有することにより特徴付けられる請求項１９に記載のメソポーラス材料。
  22. 材料が金属酸化物及び／又は炭素メソポーラス材料であり、前記鋳型が溶媒抽出によるか、又は溶媒抽出及びか焼により除去されていることにより特徴付けられる請求項２に従って製造されるメソポーラス材料。
  23. 窒素吸着等温線により決定される1000m2/gを超える表面積及び１〜４nmの間の孔サイズ分布の孔を有する、請求項３〜８のいずれか１項に従って製造されるメソポーラス材料。
  24. 光学異性体のラセミ混合物を分離することができる請求項２に従って製造されるメソポーラス材料。
  25. ２θ＝１〜６°の間のメソスケールピーク及びメソポーラス材料の孔中での鋳型のスタッキング距離に相当し２θ＝15°を超える角度に少なくとも１つの回折ピークを有するＸ線回折パターンを有する無機酸化物を含む請求項１に従って製造されるメソポーラス材料。
  26. プテリン基を含有する有機物を少なくとも１重量％含有する請求項２５に記載されるＸ線回折パターンを有する無機酸化物を含む請求項１に従って製造されるメソポーラス材料。
  27. 工程(Ｄ)の後に生成される材料の円偏光二色性スペクトルが鋳型内の四量体スタックのキラル配置から生じ300nmで最大を示す正ピークを有することにより特徴付けられる、局所キラリティーを示す孔内表面に官能基を１〜30重量％含む無機酸化物を含む請求項１又は２に従って製造されるメソポーラス材料。
  28. 活性医薬生成物用の制御薬物送達デバイスとして使用されることにより特徴付けられる請求項１〜１２のいずれか１項に従って製造される材料の使用。
  29. 光学異性体のキラル分離に使用されることにより特徴付けられる請求項２に従って製造される材料の使用。
  30. 材料がクロマトグラフィー適用でタンパク質又は孔空間に侵入し得る他の分子を分離／カプセル化／結合できることにより特徴付けられる請求項２に従って製造される材料の使用。
  31. 孔内部空間内で又は孔内部空間外で、活性触媒種を添加して又は添加なしで触媒として使用されることにより特徴付けられる請求項２に従って製造される材料の使用。
  32. 鋳型が、免疫化学標識化適用において蛍光マーカー又は発色団として作用できることにより特徴付けられる請求項１に従って製造される材料の使用。
  33. CO2により例示される温室効果ガスをカプセル化又は分離するため、孔空間内に該温室効果ガスを捕捉するために使用されることにより特徴付けられる請求項２に従って製造される材料の使用。
  34. 塩及び混入物のろ過による水の精製に使用されることにより特徴付けられる請求項２に従って製造される材料の使用。
  35. 材料が少なくとも10重量％の酸化チタンを含み、活性光触媒として使用されることにより特徴付けられる請求項２に従って製造される材料の使用。
  36. 材料が少なくとも10重量％の酸化ニッケル若しくは酸化チタン又はそれらの混合物から構成されるとき、色素増感太陽電池における光電陰極として使用されることにより特徴付けられる請求項２に従って製造される材料の使用。
  37. 亜鉛との組合せで遺伝子修復抽出物に使用される請求項１及び請求項３〜８のいずれか１項に従って製造される材料の使用。
  38. 光電流交換ができ、分子光電デバイスに使用され得ることにより特徴付けられる請求項２に従って製造される材料の使用。
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